cap. 6 energia e transformação química
TRANSCRIPT
Cap 6Energia e Transformaccedilatildeo Quiacutemica
Brady amp Senese 5th Ed
Toacutepicos do Capiacutetulo61 Um objeto possui energia se eacute capaz de realizar trabalho62 Energia Interna eacute o total de energia das moleacuteculas63 Calor pode ser determinado por medidas de variaccedilatildeo de
temperatura64 Energia eacute absorvida ou liberada durante a maioria das
reaccedilotildees quiacutemicas65 Calores de reaccedilatildeo satildeo medidos a volume constante ou a
pressatildeo constante66 Equaccedilotildees termoquiacutemicas satildeo reaccedilotildees quiacutemicas que
incluem quantitativamente o calor67 Equaccedilotildees termoquiacutemicas podem ser combinadas porque a
entalpia eacute uma funccedilatildeo de estado68 Calores-padratildeo de reaccedilatildeo podem ser usados pra prever o
calor de qualquer reaccedilatildeo usando a Lei de Hess
Contexto
bull Energia ndash vemos frequentemente custo da energia fontes de energia etc
bull Energia natildeo eacute como a mateacuteria mas eacute algo que a mateacuteria podepossuir Algo que permite que objetos se movam
bull Quase todas as transformaccedilotildees quiacutemicas e fiacutesica satildeoacompanhadas de variaccedilatildeo de energia evaporaccedilatildeocondensaccedilatildeo combustatildeo nosso metabolismo
bull Termoquiacutemica ndash estuda a energia liberada ou absorvida em uma transformaccedilatildeo
bull Importacircncia proporciona uma associaccedilatildeo entre medidaspraacuteticas (temperatura) com eventos moleculares como quebraou formaccedilatildeo de ligaccedilotildees
bull Termodinacircmica ndash estuda a transferecircncia e transformaccedilatildeo da energia
4
Energia eacute a capacidade de realizar trabalhobull Energia eacute algo que um objeto tem se for capaz de
realizar trabalho Ex automoacutevelbull Tipos cineacutetica e potencial
sect cineacutetica energia que um objeto possui quando estaacute em movimento
sect potencial energia que um objeto possui e que pode ser transformada em cineacutetica (energia armazenada) Ex despertador
bull Substacircncias quiacutemicas possuem energia potencial denominada energia quiacutemica
bull Energia interna (E) A soma das energias cineacutetica e potencial de cada partiacutecula do sistema
5
Energia Cineacutetica A Energia do Movimentobull Ec=frac12mv2
bull Energia que pode ser transferida pelo movimento daspartiacuteculas
bull Colisatildeo de partiacuteculas raacutepidas com partiacuteculas mais lentas leva aaceleraccedilatildeo das mais lentas e desaceleraccedilatildeo das mais raacutepidassect Eacute por isso que a aacutegua quente esfria quando colocada em
contato com uma superfiacutecie fria
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Toacutepicos do Capiacutetulo61 Um objeto possui energia se eacute capaz de realizar trabalho62 Energia Interna eacute o total de energia das moleacuteculas63 Calor pode ser determinado por medidas de variaccedilatildeo de
temperatura64 Energia eacute absorvida ou liberada durante a maioria das
reaccedilotildees quiacutemicas65 Calores de reaccedilatildeo satildeo medidos a volume constante ou a
pressatildeo constante66 Equaccedilotildees termoquiacutemicas satildeo reaccedilotildees quiacutemicas que
incluem quantitativamente o calor67 Equaccedilotildees termoquiacutemicas podem ser combinadas porque a
entalpia eacute uma funccedilatildeo de estado68 Calores-padratildeo de reaccedilatildeo podem ser usados pra prever o
calor de qualquer reaccedilatildeo usando a Lei de Hess
Contexto
bull Energia ndash vemos frequentemente custo da energia fontes de energia etc
bull Energia natildeo eacute como a mateacuteria mas eacute algo que a mateacuteria podepossuir Algo que permite que objetos se movam
bull Quase todas as transformaccedilotildees quiacutemicas e fiacutesica satildeoacompanhadas de variaccedilatildeo de energia evaporaccedilatildeocondensaccedilatildeo combustatildeo nosso metabolismo
bull Termoquiacutemica ndash estuda a energia liberada ou absorvida em uma transformaccedilatildeo
bull Importacircncia proporciona uma associaccedilatildeo entre medidaspraacuteticas (temperatura) com eventos moleculares como quebraou formaccedilatildeo de ligaccedilotildees
bull Termodinacircmica ndash estuda a transferecircncia e transformaccedilatildeo da energia
4
Energia eacute a capacidade de realizar trabalhobull Energia eacute algo que um objeto tem se for capaz de
realizar trabalho Ex automoacutevelbull Tipos cineacutetica e potencial
sect cineacutetica energia que um objeto possui quando estaacute em movimento
sect potencial energia que um objeto possui e que pode ser transformada em cineacutetica (energia armazenada) Ex despertador
bull Substacircncias quiacutemicas possuem energia potencial denominada energia quiacutemica
bull Energia interna (E) A soma das energias cineacutetica e potencial de cada partiacutecula do sistema
5
Energia Cineacutetica A Energia do Movimentobull Ec=frac12mv2
bull Energia que pode ser transferida pelo movimento daspartiacuteculas
bull Colisatildeo de partiacuteculas raacutepidas com partiacuteculas mais lentas leva aaceleraccedilatildeo das mais lentas e desaceleraccedilatildeo das mais raacutepidassect Eacute por isso que a aacutegua quente esfria quando colocada em
contato com uma superfiacutecie fria
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Contexto
bull Energia ndash vemos frequentemente custo da energia fontes de energia etc
bull Energia natildeo eacute como a mateacuteria mas eacute algo que a mateacuteria podepossuir Algo que permite que objetos se movam
bull Quase todas as transformaccedilotildees quiacutemicas e fiacutesica satildeoacompanhadas de variaccedilatildeo de energia evaporaccedilatildeocondensaccedilatildeo combustatildeo nosso metabolismo
bull Termoquiacutemica ndash estuda a energia liberada ou absorvida em uma transformaccedilatildeo
bull Importacircncia proporciona uma associaccedilatildeo entre medidaspraacuteticas (temperatura) com eventos moleculares como quebraou formaccedilatildeo de ligaccedilotildees
bull Termodinacircmica ndash estuda a transferecircncia e transformaccedilatildeo da energia
4
Energia eacute a capacidade de realizar trabalhobull Energia eacute algo que um objeto tem se for capaz de
realizar trabalho Ex automoacutevelbull Tipos cineacutetica e potencial
sect cineacutetica energia que um objeto possui quando estaacute em movimento
sect potencial energia que um objeto possui e que pode ser transformada em cineacutetica (energia armazenada) Ex despertador
bull Substacircncias quiacutemicas possuem energia potencial denominada energia quiacutemica
bull Energia interna (E) A soma das energias cineacutetica e potencial de cada partiacutecula do sistema
5
Energia Cineacutetica A Energia do Movimentobull Ec=frac12mv2
bull Energia que pode ser transferida pelo movimento daspartiacuteculas
bull Colisatildeo de partiacuteculas raacutepidas com partiacuteculas mais lentas leva aaceleraccedilatildeo das mais lentas e desaceleraccedilatildeo das mais raacutepidassect Eacute por isso que a aacutegua quente esfria quando colocada em
contato com uma superfiacutecie fria
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
4
Energia eacute a capacidade de realizar trabalhobull Energia eacute algo que um objeto tem se for capaz de
realizar trabalho Ex automoacutevelbull Tipos cineacutetica e potencial
sect cineacutetica energia que um objeto possui quando estaacute em movimento
sect potencial energia que um objeto possui e que pode ser transformada em cineacutetica (energia armazenada) Ex despertador
bull Substacircncias quiacutemicas possuem energia potencial denominada energia quiacutemica
bull Energia interna (E) A soma das energias cineacutetica e potencial de cada partiacutecula do sistema
5
Energia Cineacutetica A Energia do Movimentobull Ec=frac12mv2
bull Energia que pode ser transferida pelo movimento daspartiacuteculas
bull Colisatildeo de partiacuteculas raacutepidas com partiacuteculas mais lentas leva aaceleraccedilatildeo das mais lentas e desaceleraccedilatildeo das mais raacutepidassect Eacute por isso que a aacutegua quente esfria quando colocada em
contato com uma superfiacutecie fria
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
5
Energia Cineacutetica A Energia do Movimentobull Ec=frac12mv2
bull Energia que pode ser transferida pelo movimento daspartiacuteculas
bull Colisatildeo de partiacuteculas raacutepidas com partiacuteculas mais lentas leva aaceleraccedilatildeo das mais lentas e desaceleraccedilatildeo das mais raacutepidassect Eacute por isso que a aacutegua quente esfria quando colocada em
contato com uma superfiacutecie fria
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
6
Energia Potencial Depende da Posiccedilatildeobull Ex livro tem Ep por causa da forccedila de atraccedilatildeo gravitacional
Se o erguemos haacute um aumento na sua Ep (fornecido pelapessoa) A quedo do livro iraacute transformar Ep em Ec
bull Para objetos que se atraem Ep aumenta quando eles se afastambull Para objetos que se repelem Ep aumenta quando eles se
aproximam
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
7
bullLigaccedilatildeo quiacutemica forccedilas atrativas que unem os aacutetomos entre sinas moleacuteculas ou os iacuteons entre si nos compostos iocircnicosbullExoteacutermica reaccedilotildees onde as ligaccedilotildees nos produtos satildeo maisfortes do que nos reagentes
CH4(g) + 2O2(g) egrave CO2(g) + 2H2O(g) + calorOs produtos possuem menos energia potencial e maior energiacineacutetica (maior temperatura) Parte desta energia pode sertransferida para a vizinhanccedila como calorbullEndoteacutermica a reaccedilatildeo iraacute quebrar ligaccedilotildees mais fortes do que asque seratildeo formadas (necessitando de E)
6CO2(g) + 6H2O + energia solar egrave C6H12O6 + 6O2(g)bullEstas reaccedilotildees transformam energia cineacutetica em potencial assim atemperatura tende a diminuir a medida que a reaccedilatildeo avanccedila Atemperatura da vizinhanccedila diminuiraacute quando houver transferecircnciade calor para o sistema
Energia potencial
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Energia potencialbullA forccedila de uma ligaccedilatildeo quiacutemica eacute medida pelaquantidade de energia necessaacuteria para separar os aacutetomosque as ligaccedilotildees manteacutem juntos ou pela quantidade deenergia liberada quando a ligaccedilatildeo se forma
Ex combustatildeobullQuebra de ligaccedilotildees fracas C-H e formaccedilatildeo de ligaccedilotildeesnas moleacuteculas de aacutegua e dioacutexido de carbono
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
9
Sua vezQuais dos exemplos abaixo produzem variaccedilatildeo de
energia cineacutetica
A Um laacutepis rolando sobre a carteira B Um laacutepis sendo apontado C Um laacutepis sendo aquecido D Todos produzem E Nenhum deles
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
10
Lei da Conservaccedilatildeo da Energia
bull Energia natildeo pode sercriada ou destruiacuteda maspode ser transformada deuma forma para outra
bull Tambeacutem conhecida comoprimeira lei datermodinacircmica
bull Como a aacutegua caindo emuma cachoeira demonstraesta lei
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
11
Calor e Temperatura natildeo satildeo a mesma coisa
bull A temperatura de um objeto eacute proporcional a energiacineacutetica meacutedia das suas partiacuteculas ndash quanto maior atemperatura maior a energia cineacutetica meacutedia
bull Calor eacute energia (tambeacutem chamada de energia teacutermica)transferida entre objetos que possuem diferentestemperaturas ateacute que eles atinjam o equiliacutebrio teacutermico
bull Todas as formas de energia (cineacutetica e potencial)podem ser transformadas em energia teacutermica
Ex pisando no freio a Ec do carro eacute transformada emenergia teacutermica pelo atrito entre os freio e as rodas
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
12
Unidades de Energia
bull No SI eacute o Joule Jsect J = kgm2s-2
sect Se o valor calculado eacute maior que 1000 J usamos o kJ
bull Na unidade britacircnica eacute a caloria calsect cal = 4184 J (exato)
bull A unidade nutricional eacute Caloria (com c maiuacutesculo)que equivale a uma kilocaloriasect 1 Cal = 1 kcal = 4184 kJ
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Energia Interna eacute a energia total das moleacuteculas de umobjeto
bull A energia que eacute transferida de um objeto quente paraoutro frio vem da energia interna do objeto
bull Energia cineacutetica molecular eacute a energia associada aosmovimentos moleculares Cada partiacutecula tem um certovalor de energia cineacutetica num dado momento
bull As moleacuteculas estatildeo trocando energia entre si duranteas colisotildees mas desde que a amostra esteja isolada aenergia cineacutetica total de todas as moleacuteculaspermanece constante
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
14
Em uma transformaccedilatildeo estamos interessados navariaccedilatildeo de energia que acompanha o processo
ΔE = Ef - EiΔE = Eproduto - Ereagente
bull Natildeo podemos medir a energia interna de nada apenasas variaccedilotildees
bull ΔE positivo significa absorccedilatildeo de energia
A energia interna eacute representada pelo siacutembolo E
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
A temperatura estaacute relacionada com a energiacineacutetica molecular meacutedia
bull Teoria cineacutetica molecularbull Energia cineacutetica meacutedia
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
16
A energia interna eacute uma funccedilatildeo de estadobull Satildeo propriedades cujos valores dependem apenas do estadoatual do sistema e natildeo do meacutetodo ou mecanismo para atingiraquele estadobullEx Temperatura (natildeo importa como o sistema adquiriu estevalor) (Δ T)bullEsta independecircncia do meacutetodo ou mecanismo atraveacutes do qual avariaccedilatildeo ocorre eacute caracteriacutestica de uma funccedilatildeo de estado
New York
Los Angeles
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
17
Pode-se determinar o calor atraveacutes da medida de ΔT
bullMedindo a quantidade de calor absorvido ou liberadopodemos quantificar a energia
bullcalor (q) = transferecircncia de energia de regiotildees de altatemperatura para regiotildees de baixa temperaturabull unidades J cal kgmiddotm2s2
sectUma caloria eacute a quantidade de energia necessaacuteria para aumentar atemperatura de 100 g de aacutegua de 145 to 155degC
bullUma colher de metal a 25degC eacute colocada em aacuteguafervente O que acontece
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
18
Vizinhanccedila Sistema Universobull Sistema a reaccedilatildeo ou nosso objeto de estudobull Vizinhanccedila o resto do universobull Fronteira envolve o sistema (visiacutevel ou invisiacutevel)bull Sistema aberto pode trocar massa e energia atraveacutes
de suas fronteiras sect Ex corpo humano
bull Sistema fechado pode absorver ou liberar energia mas natildeo massa atraveacutes de suas fronteiras sect Ex o bulbo de uma lacircmpada
bull Sistema isolado natildeo troca massa nem energia com suas vizinhanccedilas (Adiabaacutetico)sect Ex garrafa teacutermica
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
19
Convenccedilatildeo de sinaisbull Sistema Endoteacutermico ndash energia seraacute adicionada ao
sistema portanto q eacute (+)bull Sistema Exoteacutermico - o sistema libera energia para a
vizinhanccedila Seu q eacute (-)bull As mudanccedila de energia satildeo medidas a partir do ponto
de vista do sistema
Como vocecirc classificaria a terra
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
20
O calor que um objeto ganha ou perde eacute diretamenteproporcional agrave sua ΔT
q=CtimesΔt onde
bull Capacidade caloriacutefica (C)- habilidade (intensiva como T e densidade) de um objeto absorver calor sect Natildeo varia com a massa da amostra sect Unidades JOC expressando a quantidade de energia
necessaacuteria para elevar em 1oC a temp de um objeto
sect q= calor transferidosect C= capacidade caloriacuteficasect Δt= variaccedilatildeo de Temperatura (tfinal-tinicial)
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
21
Exemplo
Um copo de aacutegua eacute usado em um experimento Suacapacidade caloriacutefica eacute 720 J degC Quanto de calorseraacute absorvido se a temperatura variar de192degC to235degC
( )3
720 235 192 CC
31 10
q C tJq
x J
= acuteD
= acute - degdeg
=
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
22
Calor especiacutefico cbull Calor especiacutefico (c) - Habilidade (extensiva) de uma
substacircncia estocar calor Varia com a massa como exvolume
sect C = mtimescsect Unidades JgdegC Jg K Jmol K expressa a
quantidade de calor necessaacuteria para elevar em 1oC atemperatura de 1g da substacircncia
bull q=mtimesΔttimescsect q= calor transferidosect m= massa do objetosect Δt= variaccedilatildeo de temperatura (tfinal-tinicial)
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
23
Calores especiacuteficosSubstance
Specific HeatJ g degC
(25 degC)Carbon
(graphite) 0711
Copper 0387
Ethyl alcohol 245
Gold 0129Granite 0803Iron 04498Lead 0128Olive oil 20Silver 0235Water (liquid) 418
Substacircncias com altosvalores de c resistem avariaccedilotildees de temperatura
A aacutegua possui um calorespeciacutefico muito alto
(isto explica por que astemperaturas na costa satildeomais amenas do que nointerior)
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
24
ExemploCalcule o calor especiacutefico de 3291 g de uma amostra demetal que absorve 235 J para elevar sua temperatura em253degC
235 2823291 253
q m c tq J Jc
m t g C g C
= acute acuteD
= = =acuteD acute
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
25
A primeira lei da termodinacircmica explica astransferecircncias de calor
bull Se monitorarmos os calores transferidos a todos osmateriais envolvidos podemos prever que sua somaseraacute zero
bull Monitorando a vizinhanccedila podemos predizer o queestaacute acontecendo com o sistema
bull O calor eacute transferido ateacute que o equiliacutebrio teacutermico sejaatingido portanto a temperatura final seraacute a mesmapara todos os materiais
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Primeira lei da termodinacircmica
Eacute uma declaraccedilatildeo da lei da conservaccedilatildeo da energia sob aforma de uma equaccedilatildeo simples
ΔE = q ndash wEacute um dos mais sutis e poderosos princiacutepios inventadospela ciecircncia Implica que podemos transferir energia devaacuterias maneiras mas natildeo podemos criar nem destruirenergiaA quantidade E eacute chamada de energia interna que eacute aenergia total do sistema (cineacutetica + potencial)
ΔE = Efinal ndash Einicial
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Primeira lei da termodinacircmicabull Natildeo eacute possiacutevel determinar EA) natildeo eacute possiacutevel determinar a velocidade de um partiacutecula pois os
sistema move-se agrave medida que a terra gira em torno de seueixo A terra por sua vez gira em torno do sol que se move
B) Tambeacutem natildeo podemos medir a energia potencial totalprovocada por todas as forccedilas atrativas entre o sistema e orestante do universo
Mas podemos medir ΔE que eacute tudo que importa para noacutesA energia interna eacute uma funccedilatildeo de estado e sua magnitude
portanto depende apenas dos estados inicial e final do sistemae natildeo do caminho percorrido
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Convenccedilatildeo de sinaisbull A quantidade q representa a quantidade de calor que eacute
adicionado ao sistemabull w representa o trabalho realizado pelo sistemaAssim a variaccedilatildeo de energia interna eacute igual agrave diferenccedila entre a
energia fornecida ao sistema como calor e a energia removidado sistema como trabalho
q positivo (qgt0) calor eacute adicionado ao sistemaq negativo (qlt0) calor eacute removido (liberado) do sistemaw positivo (wgt0) o sistema realiza trabalho ndash energia eacute removidaw negativo (wlt0) trabalho eacute realizado sobre o sistema ndash energia eacute
adicionada
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Como um sistema pode realizar trabalhobull Trabalho eleacutetrico ocorre quando se extrai energia de uma pilha ou bateriapara movimentar um reloacutegio ou dar partida em um carro As reaccedilotildees quiacutemicasda pilha produzem energia que empurra os eleacutetrons atraveacutes de um fio e estaenergia eleacutetrica realiza trabalho para noacutes A energia que obtemos sob a formade trabalho depende de como descarregamos a bateria
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
30
Como um sistema pode realizar trabalhobullTrabalho mecacircnico sempre se realiza trabalho quando umaforccedila de oposiccedilatildeo eacute empurrada atraveacutes de uma distacircnciabullPressatildeo = forccedilaaacutereabulltrabalho = forccedilatimesdistacircnciaO volume do gaacutes no cilindro eacute dado por V = AhbullQuando o gaacutes se expande A permanece cte poreacutem h varia
bullΔV = Vf ndashVibullΔ V = Ahf ndash AhibullΔ V = A(Δ h)
bullW = F x Δ h oubullW = PxA x Δ h = P x ΔV
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Trabalho pressatildeo-volumebull Unidades (SI) P em Pascal (Nm2)bull w = P ΔV Nm2 m3 = Nm = JExemplo dois conjuntos de q e w que produzem o
mesmo Δ E expansatildeo isoteacutermica de um gaacutes idealΔE =0 = q - w
q = wa) Sem pressatildeo de oposiccedilatildeo
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Trabalho pressatildeo-volumeO gaacutes natildeo iraacute realizar trabalho porque o gaacutes natildeo estaacute sendo
empurrado de voltaAssimw = 0 e q = 0
b) Com pressatildeo de oposiccedilatildeo (Vi =100dm3 Vf=100dm3)w = PΔV = 100kPa x 90dm3
W = 100 x 103Nm2 x 90 x 10-3m3
W = 900 Nm = 900J
(exemplo da bateria)
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
33
Como relacionar trabalho com as reaccedilotildees quiacutemicas
bull trabalho = forccedila middot distacircnciabull Eacute mais frequentemente devido a expansatildeo ou
contraccedilatildeo de um sistema devido a mudanccedila nonuacutemero de mols de gaacutes
bull Gases se expandem contra a pressatildeo atmosfeacuterica entatildeoPsistema = Patm
bull w = PatmtimesΔVbull O funcionamento dos airbags eacute um exemplo deste
processo1 C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
6 mols de gaacutes rarr 7 mols de gaacutes
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
34
Exemplo trabalho P-Vbull Cloreto de etila eacute preparado pela reaccedilatildeo do etileno com o
HCl Quanto de trabalho PV (em J) eacute realizado se 895 g deetileno e 125 g de HCl reagem a Patm e a mudanccedila de volumeeacute -715 L
bull Calcule o trabalho (em kJ) feito durante a siacutentese da amocircniaonde o volume contrai de 86 L para 43L a uma pressatildeoexterna constante de 44 atm
w = -19 kJ
w = -724 x103J
w = 44atm times (43-86)L = -1892Latm
w = 1atm times -715L = -715 Latm
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
35
Sua vezQuando TNT eacute queimado ao ar sua combustatildeo ocorrede acordo com a reaccedilatildeo4C6H2(NO2)3CH3(s) + 17 O2(g) rarr24 CO2(g) + 10H2O(l) + 6N2(g)
A reaccedilatildeo iraacute realizar trabalho devido a todas as razotildeesabaixo excetoAO nuacutemero de mols de gaacutes aumenta BO volume do gaacutes aumenta CA pressatildeo do gaacutes aumentaD A temperatura do gaacutes aumenta
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Trabalho maacuteximoA quantidade de trabalho que pode ser realizado por uma bateria depende decomo ela eacute descarregadaRapidamente muito calor e pouco trabalhoSituaccedilatildeo limite velocidade infinitamente lenta egrave trabalho maacuteximo (forccedilapropulsora = forccedila de oposiccedilatildeo) egrave processo reversiacutevel
Infelizmente os processos reversiacuteveis levam uma eternidade para ocorrerTodas as transformaccedilotildees reais satildeo irreversiacuteveis e portanto o trabalho obtido eacutesempre menor do que o maacuteximo teoacuterico
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
37
Calorimetria ndash Medidas do calor de reaccedilatildeo Calor de reaccedilatildeo quantidade de calor absorvido ou liberado emuma reaccedilatildeo quiacutemicaEx H + H egrave H2 libera energia porque Ep das moleacuteculas de H2eacute menor (energia de ligaccedilatildeo)Se conduzirmos esta reaccedilatildeo em um recipiente fechado de volumefixo o sistema natildeo poderaacute realizar trabalho P-V (v cte) logo w=0 portanto
ΔE = qv
bullCaloriacutemetro ou bomba calorimeacutetrica aparelho usado para medir a mudanccedila de temperatura provocada por uma reaccedilatildeo
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
38
Caloriacutemetro ndash sistema fechado qvbullComposto por uma bomba de accediloimersa em um banho isoladocontendo uma quantidadeconhecida de aacuteguabullA reaccedilatildeo se inicia por um pequenofiobullMedindo-se a temperatura da aacuteguae conhecendo-se a capacidadecaloriacutefica do caloriacutemetro podemoscalcular o calor liberadobullMede qv
bullw =0bullΔE = qv
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
39
Exemplo Caloriacutemetro
5000mg de naftaleno (C10H8) eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 1000g de aacutegua A temperatura daaacutegua aumentou de 2000degC para 2437degC Acapacidade caloriacutefica do caloriacutemetro eacute 420 JdegC Quala variaccedilatildeo de energia interna da reaccedilatildeo caacutegua = 4184JgdegC
qcal= 420 Jgtimes(2437-2000)degC = 1835J
qaacutegua= 1000 gtimes(2437-2000)degCtimes 4184 JgdegC = 18284J
qv reaccedilatildeo + qaacutegua + qcal = 0 pela primeira lei
qv = ΔE = -18284 -1835 = -20times104 J
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
40
Sua vez252mg de aacutecido benzoico C6H5CO2H eacute queimado em umcaloriacutemetro contendo 814 g de aacutegua a 2000ordmC A reaccedilatildeo eleva atemperatura da aacutegua para 2170 Qual a energia interna liberadapelo processoA -711 JB -285 JC +711 JD +285 JE Nenhum dos anteriores
caacutegua = 4184 JgdegC
( )
q q q 0 q foi ignorado pelo problema4184q = -q -814g 2170-2000v
5789
aacutegua caloriacutemetro caloriacutemetro
aacutegua
vJ
g Cq Jv
+ + =
= acute acute
= -
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
41
Sistemas abertos qpA maioria das reaccedilotildees ocorrem em sistemas abertos (p cte) eportanto permitem variaccedilotildees de volumeEx 2H2(g) + O2(g) egrave 2H2O(l)
67dm3 egrave 0036dm3
W = PΔV = 100kPa x (0036-67) = 67kJbullPara evitar a necessidade de se calcular o trabalho definimos umanova funccedilatildeo termodinacircmica chamada conteuacutedo de calor ouentalpiabullEntalpia H eacute o calor transferido a P constante bullH = E + PV para uma variaccedilatildeo a P ctebullΔH = ΔE + P ΔV se apenas trabalho PV estaacute envolvidobullΔE = q - P ΔV substituindobullΔH= (q - P ΔV ) + P ΔVbullΔH = qp ΔH eacute uma funccedilatildeo de estado
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
ΔE = qv e ΔH = qp
bull Em muitas situaccedilotildees as diferenccedilas entre ΔH e ΔEsatildeo pequenas (regentes e produtos l ou s)
bull Mesmo nas reaccedilotildees envolvendo gases ΔE eacute muitomaior que o termo P ΔV e assim ΔH e ΔE aindasatildeo quase os mesmos
bull Vejamos um exemplo
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
ΔE = qv e ΔH = qpQuando 200 mol de H2 e 100 mol de O2 a 100oC e 1atm reagempara produzir 200mols de vapor drsquoaacutegua a 100oC e 1atm um totalde 4845kJ satildeo liberados Quais satildeo (a) ΔH (b)ΔE para aformaccedilatildeo de 100 mol de aacuteguaa) Como a reaccedilatildeo estaacute ocorrendo a P constanteqp = ΔH= -4845kJ200 mols de aacutegua = -2422kJmolb) Para calcular ΔE usamos a equaccedilatildeo ΔE = ΔH ndashPΔVConsiderando gaacutes ideal PVi=niRT para os reagentes e PVf=nfRTpara os produtosO trabalho PV eacute dado por PVf ndashPVi=P(Vf-Vi)=P ΔV que eacute igual aP ΔV= ΔnRTΔn = 2-3=-1mol P ΔV=(-1)8314 x 373= -310kJ (06)
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
44
Equaccedilotildees termoquiacutemicas bull Relaciona a energia de uma reaccedilatildeo com as quantidades
envolvidasbull Deve estar balanceada mas pode usar coeficientes fracionaacuteriosbull Eacute quase sempre interpretada em base molar
Ex H2O(l) egrave H2O(g) ΔH = +41kJO valor do ΔH seraacute sempre o mesmo independente do caminho Eacute
possiacutevel considerar qualquer transformaccedilatildeo como resultado deuma seacuterie de reaccedilotildees quiacutemicas
O valor de ΔH seraacute a soma das variaccedilotildees de entalpia que ocorremao longo do caminho egrave Lei de Hess da soma dos calores
H2O(l) egrave H2(g) + 12O2(g) ΔH = +283kJH2(g) + 12O2(g) egrave H2O(g) ΔH = -242kJ
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
Diagrama de Entalpia bull Como zero da escala foi escolhido a entalpia dos
elementos livres
45
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
46
Regras para adicionar as reaccedilotildees quiacutemicas
1 Quando uma reaccedilatildeo for invertida o sinal do ΔHtambeacutem deve ser invertido
2 As foacutermulas canceladas em ambos os lados de umaequaccedilatildeo devem ser de substacircncias no mesmo estadofiacutesico
3 Se todos os coeficientes de uma equaccedilatildeo satildeomultiplicados ou divididos por um fator o valor deΔH tambeacutem deve ser multiplicado pelo mesmofator
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
47
Dicas para adicionar reaccedilotildees
1 Escolha o composto mais complexo da equaccedilatildeo
2 Escolha a equaccedilatildeo que contenha o composto
3 Escreva esta equaccedilatildeo de modo que o compostoesteja do lado correto e quantidade correta
4 Siga para o proacuteximo composto mais complexo
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
48
Dicas para adicionar reaccedilotildees
5 Escolha uma equaccedilatildeo que permita a vocecirccancelar intermediaacuterios e multiplique-a pelocoeficiente correto
6 Some as reaccedilotildees e cancele os termossemelhantes
7 Some as energias modificando os valores damesma forma que vocecirc modificou a equaccedilatildeo
bull Se inverter uma equaccedilatildeo mude o sinal da entalpiabull Se dobrar os coeficientes da equaccedilatildeo dobre
tambeacutem o valor da entalpia
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
49
Exemplobull Como podemos calcular a variaccedilatildeo de entalpia para a
reaccedilatildeo 2H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) usando as eqabaixosect N2H4(g) + H2(g) rarr 2 NH3(g) ΔHdeg = -1876 kJsect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull Inverta a primeira reaccedilatildeo e troque seu sinal sect 2 NH3(g) rarr N2H4(g) + H2(g) ΔHdeg = +1876 kJ
bull Adicione a segunda reaccedilatildeo sect 3H2(g) + N2(g) rarr 2NH3(g) ΔHdeg = -922 kJ
bull 2 NH3(g)+ 3H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) + H2(g)+ 2NH3(g)
sect 2 H2(g) + N2(g) rarr N2H4(g) (1876-922)= +954 kJ
2
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
50
Outro exemplo
Calcule ΔH para 2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) usandobull 2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992bull C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJbull H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ
bull-frac12(2 C2H2(g) + 5O2(g) rarr 4 CO2(g) + 2H2O(l) ΔHdeg = -25992)bull2 CO2(g) + H2O(l) rarr C2H2(g) + 5frac12 O2(g) ΔHdeg = +12996
bull2(C(s) + O2(g) rarr CO2(g) ΔHdeg = -3935 kJ)bull 2C(s)+ 2O2(g) rarr 2CO2(g) ΔHdeg = -7870 kJ)
bull-1(H2O(l) rarr H2(g) + frac12 O2(g) ΔHdeg = +2859 kJ)bull H2(g) + frac12 O2(g) rarrH2O(l) ΔHdeg = -2859 kJ
bull2C(s) + H2(g) rarr C2H2(g) ΔHdeg = +2267 kJ
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
51
Sua vezQual a energia do seguinte processo
6A + 9B + 3D + 1 Frarr2 GDadosbull C rarr A + 2B ∆H=202 kJmolbull 2C + D rarrE + B ∆H=301 kJmolbull 3E + F rarr2G ∆H=-801 kJmol
A 706 kJB -298 kJC -1110 kJD Nenhum dos anteriores
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
52
Atentem para os estados fiacutesicos
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(g)sect ΔH= -2043 kJ
bull C3H8(g) + 5 O2(g) rarr 3 CO2(g) + 4 H2O(l)sect ΔH= -2219 kJ
bull note que existe uma diferenccedila de energia porque os estados fiacutesicos satildeo diferentes
bull Se H2O(l) rarr H2O(g) ΔH = 44 kJmolbull 4H2O(l) rarr 4H2O(g) ΔH = 176 kJmolbull -2219 +176 kJ = -2043 kJ
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
53
Eacute o estado mais estaacutevel de uma substacircncia pura abull 1 atm pressatildeobull 25degC de temperaturabull Soluccedilotildees possuem concentraccedilatildeo 1M bull Medidas feitas no estado padratildeo possuem a marca deg
ΔHdegbull Os valores satildeo dados para a forma mais estaacutevel de um
composto ou elemento
Estado padratildeo
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
54
Entalpia de Formaccedilatildeobull Eacute a variaccedilatildeo de entalpia ΔHdegf para a formaccedilatildeo de 1
mol de uma substacircncia em seu estado padratildeopartindo dos elementos no seu estado padratildeo
bull Note ΔHdegf = 0 para um elemento na sua forma mais estaacutevel em seu estado padratildeo
bull Exemplosect Qual a equaccedilatildeo que descreve a formaccedilatildeo do CaCO3(s)
Ca(s) + C(gr) +32 O2(g) rarrCaCO3(s)
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol
56
Calculando ΔH da reaccedilatildeo usando ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = [soma of ΔHdegf dos produtos] ndash [soma dos ΔHdegf dosreagentes]
bull 2Fe(s) + 6H2O(l) rarr 2Fe(OH)3(s) + 3H2(g)0 -2858 -6965 0 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = 2(-6965) ndash 6(-2858) = 3218kJ
bull CO2(g) + 2H2O(l) rarr 2O2(g) + CH4(g)-3935 -2858 0 -748 ΔHdegf
ΔHdegreaccedilatildeo = (-748) ndash (-3935 + 2(-2858)) = 8903kJ
Sua vezQual a variaccedilatildeo de entalpia da seguinte reaccedilatildeo
A -75628 kJB 75628 kJC -154574 kJD 154574 kJE Nenhuma das anteriores
2 HCH3CO2(aq) + 2 OH-(aq) rarr 2H2O(l) + 2 C2H3O2(aq)
∆Hfordm -487kJmol
-22994 kJmol
-28584kJmol
-54296kJmol