capítulo 5 termoquímicaa natureza da energia eiiéti i tilenergia cinética e energia potencial...

QUÍMICAQUÍMICAA Ciência Central A Ciência Central

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Capítulo 5Capítulo 5TermoquímicaTermoquímica

David P. WhiteDavid P. White

Capítulo 05© 2005 by Pearson Education

A natureza da energiaA natureza da energia

E i i éti i t i lEnergia cinética e energia potencial• Energia cinética é a energia do movimento:• Energia potencial é a energia que um objeto possui em virtude deEnergia potencial é a energia que um objeto possui em virtude de

sua posição.A energia potencial pode ser convertida em energia cinética. Por exemplo: um ciclista no topo de um morro.



E i i éti i t i lEnergia cinética e energia potencial• A energia potencial eletrostática, Ed, é a atração entre duas

partícula com cargas contrárias, Q1 e Q2, a uma distância d entre si. • A constante κ = 8,99 × 109 J m/C2.• Se as duas partículas têm cargas opostas, Ed será a repulsão

eletrostática entre elas.



U id d d iUnidades de energia• A unidade SI para energia é o joule, J.

• Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule:1 cal = 4 184 J (exatos)1 cal = 4,184 J (exatos)

• Uma caloria nutricional:1 cal = 1.000 cal = 1 kcal



Si t i i hSistema e vizinhanças• Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados.• Vizinhança: é o resto do universo• Vizinhança: é o resto do universo.



A transferência de energia: trabalho e calor• Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto.Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto.• Trabalho é o produto da força aplicada em um objeto em uma

distância.• Energia é o trabalho reali ado para mo er m objeto contra ma• Energia é o trabalho realizado para mover um objeto contra uma

força.• Calor é a transferência de energia entre dois objetos.g j• Energia é a capacidade de realizar trabalho ou de transferir calor.


A primeira lei da A primeira lei da termodinâmicatermodinâmica

E i i t

termodinâmicatermodinâmica

Energia interna• Energia interna: é a soma de toda a energia cinética e potencial de

um sistema.• Não se pode medir a energia interna absoluta.



A l ã d E l t b lh


A relação de ΔE a calor e a trabalho• A energia não pode ser criada ou destruída.• A energia (sistema + vizinhança) é constante.• Toda energia transferida de um sistema deve ser transferida para as

vizinhanças (e vice-versa).• A partir da primeira lei da termodinâmica:

quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, ΔE, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema q mais o trabalhocalor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho realizado pelo ou no sistema:


A primeira lei da A primeira lei da termodinâmicatermodinâmicatermodinâmicatermodinâmica



Processos endotérmicos e exotérmicos


Processos endotérmicos e exotérmicos• Endotérmico: absorve calor da vizinhança.• Exotérmico: transfere calor para a vizinhança.• Uma reação endotérmica mostra-se fria.• Uma reação exotérmica mostra-se quente.



Funções de estado


Funções de estado• Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do

i t ã d i i t é tili dsistema, e não de como a energia interna é utilizada.


Funções de estadoç


EntalpiaEntalpia

• As reações químicas podem absorver ou liberar calor.• No entanto elas também podem provocar a realização de trabalho• No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho.• Por exemplo, quando um gás é produzido, ele pode ser utilizado

para empurrar um pistão, realizando, assim, trabalho.p p p , , ,Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)

• O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume.


EntalpiaEntalpia


EntalpiaEntalpia

• Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança li d b ã t trealizado sob pressão constante.

• Entalpia é uma função de estado.


EntalpiaEntalpia

• Quando ΔH é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança.• Quando ΔH é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança.


EntalpiaEntalpia


Entalpias de reaçãoEntalpias de reação

A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do ΔH é di i l à id d )diretamente proporcional à quantidade):

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = -890 kJ2CH ( ) + 4O ( ) 2CO ( ) + 4H O( ) ΔH 1780 kJ2CH4(g) + 4O2(g) → 2CO2(g) + 4H2O(g) ΔH = −1780 kJ


Entalpias de reaçãoEntalpias de reação

• Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do ΔH:CO (g) + 2H O(l) → CH (g) + 2O (g) ΔH = +890 kJCO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g) ΔH = +890 kJ

A i ã t l i d d d t d• A variação na entalpia depende do estado:H2O(g) → H2O(l) ΔH = -88 kJ


CalorimetriaCalorimetria

Capacidade calorífica e calor específicoCapacidade calorífica e calor específico• Calorimetria = a medição do fluxo de calor.• Calorímetro = o instrumento que mede o fluxo de calor• Calorímetro = o instrumento que mede o fluxo de calor.• Capacidade calorífica = a quantidade de energia necessária para

aumentar a temperatura de um objeto (em um grau).p j ( g )• Capacidade calorífica molar = a capacidade calorífica de 1 mol de

uma substância.• Calor específico = a capacidade calorífica específica = a

capacidade de calor de 1 g de uma substância.


CalorimetriaCalorimetria

Calorimetria a pressão constanteCalorimetria a pressão constante


CalorimetriaCalorimetriaBomba calorimétrica

(calorimetria de volume constante)

• A reação é realizada a uma

(calorimetria de volume constante)

çpressão constante da atmosfera.Utili b b• Utilize uma bomba calorimétrica.

• Normalmente estuda aNormalmente estuda a combustão.


Lei de HessLei de Hess

• A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o ΔH para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais.P l• Por exemplo:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) ΔH = -802 kJ2H2O(g) → 2H2O(l) ΔH = -88 kJ

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = -890 kJ


Lei de HessLei de Hess

Observe que:ΔH1 = ΔH2 + ΔH3


Entalpias de formaçãoEntalpias de formação

• Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementostit i t i ã d t l i ã é d i dconstituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada

entalpia de formação, ΔHof .

• Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K)• Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K).• A entalpia padrão, ΔHo, é a entalpia medida quando tudo está em

seu estado padrãoseu estado padrão.• Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a

partir de substâncias em seus estados padrãopartir de substâncias em seus estados padrão.



• Se existe mais de um estado para uma substância sob condições d ã t d i tá l é tili dpadrão, o estado mais estável é utilizado.

• A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zeroelemento é zero.



Utilização de entalpias de formação para o cálculo de entalpias de reaçãop ç

• Utilizamos a lei de Hess para calcular as entalpias de uma reação a partir das entalpias de formação.p p ç


Alimentos e combustíveisAlimentos e combustíveis

AlimentosAlimentos• Valor de combustão = a energia liberada quando 1 g de substância

é i dé queimada.• 1 caloria nutricional, 1 cal = 1000 cal = 1 kcal.• A energia em nossos corpos vem de carboidratos e gordurasA energia em nossos corpos vem de carboidratos e gorduras

(principalmente).• Intestinos: carboidratos convertidos em glicose:

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g)+ 6H2O(l), ΔH = -2803 kJ

• As gorduras se quebram como se segue:• As gorduras se quebram como se segue:2C57H110O6 (s) + 163O2 (s) → 114CO2 (s) + 110H2O(l), ΔH = -75,520 kJ



Alimentos• Gorduras: contêm mais energia; não são solúveis em água; portanto

b d isão boas para armazenagem de energia.



CombustíveisCombustíveis• Em 2000 os Estados Unidos consumiram 1,03 × 1017 kJ de

b tí lcombustível.• A maior parte a partir do petróleo e do gás natural.

O i d ã i l hid lé i• O restante a partir de carvão, usinas nucleares e hidroelétricas.• Os combustíveis fósseis não são renováveis.



CombustíveisCombustíveis• O valor de combustão = a energia liberada quando 1 g de subsância

é i dé queimado.• O hidrogênio tem grande potencial como combustível com um

valor de combustão de 142 kJ/gvalor de combustão de 142 kJ/g.


Fi d C ít l 5Fi d C ít l 5Fim do Capítulo 5:Fim do Capítulo 5:TermoquímicaTermoquímicaqq


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