termoquímica 1profa. marcia margarete meier. história 2 a sociedade é movida a energia e a...

Termoquímica

1Profa. Marcia Margarete Meier

História


• A sociedade é movida a energia e a invenção da máquina a vapor contribuiu decisivamente na Revolução Industrial, que levou ao aumento da produtividade e diminuição da influência sazonal sobre a produtividade (épocas de seca e chuvas).

•

História


calor

H2O(g)

Trabalho: movimento das pás.

Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho.

Expansão da águaLíquido -> gás

História


Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.

Perda de calor !

A termodinâmica surgiu pela necessidade de aumentar o rendimento das máquinas a vapor.

História


• Termodinânica: Estudo da energia e suas transformações.

• Termoquímica: Estudo das reações químicas e suas variações e transformações de energia.

Ex: energia a partir de combustíveis fósseisEx: energia a partir de biomassaEx: energia advinda de reações químicas como nas bateriaisEx: Degradação do alimento por nosso corpo para geração de energia.

•

Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 6

A energia se desloca e pode transformar-se:

• Energia vinda da radiação solar (óptica) em aquecimento da água;• Energia vinda da radiação solar em energia elétrica;• Energia potencial em energia cinética;• Energia cinética em energia elétrica


Para compreender o deslocamento da energia precisamos restringir nossa região de estudo:

Sistema:

Sistema e vizinhanças

• Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados em acompanhar a conversão da energia.

• Vizinhança: é o resto do universo.

A natureza da energia


Sistema aberto

Sistema fechado

Sistema isoladovizinhança

sistema

universo

Profa. Marcia Margarete Meier 9


Sistema aberto

Sistema fechado

Sistema isolado

Motores de automóveis

Corpo humano

Bolsas de térmicas

Garrafa térmica (aproximadamente)

Em termodinâmica, o universo é formado por um sistema e sua vizinhança.

Transferência da Energia


vizinhança

sistema

universo

vizinhança

sistema

universoAo realizarmos trabalho,

nossa energia é transmitida para a vizinhança.

Ao nos alimentarmos, recebemos energia da

vizinhança.


Quais as maneiras da energia se transformar?

Calor e trabalho


A transferência de energia: trabalho e calor

• Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto.• A energia utilizada para mover um objeto numa distância (d)

contra uma força (F) é chamada de trabalho.

W = F . d


12Profa. Marcia Margarete Meieruniverso

vizinhança

sistema

vizinhança

sistema

universo


• Exemplos de trabalho:

1) bateria (reação química)realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito.

2) mistura de gases quentes de um motor de automóvel empurram um pistão, realizando trabalho.


http://www.youtube.com/watch?v=Hhc6xM0wjKQ


• Outra maneira de transferir energia entre sistema e vizinhança é através do Calor (q) é a transferência de energia entre dois objetos que estão a temperaturas diferentes.

• Calor é uma energia em trânsito que causa alteração da energia interna dos corpos. Não se diz que um corpo tem calor, ele tem energia.

• Não se pode dizer que



1a Lei da Termodinâmica

vizinhança

sistema

universo

W, q

• O sistema e a vizinhança podem trocar calor e trabalho alterando a energia interna do sistema e da vizinhança.

• No entanto, a energia total do universo permanece inalterada.

E = q + w1a Lei da Termodinânica:

A energia não pode ser criada ou destruída. A energia é conservada.

Não existem máquinas de movimento perpétuo!Ou seja, não é possível gerar trabalho sem usar combustível.


A 1ª Lei da termodinâmica nos diz que a energia não é criada nem destruída, portanto, a energia do universo é constante. Entretanto, a energia pode ser transferida de uma parte para outra do universo. Para estudar termodinâmica é necessário isolar partes do universo (sistema) do restante do universo (vizinhança).

Classificação Conversão da energia

Máquinas automotivas Química/Cinética (deslocamento)

Fornos Química/Calor

Hidroelétricas Potencial Gravitacional/Elétrica

Solar Óptica/Elétrica

Nuclear Potencial atômica/calor, cinética, ótica

Baterias Química/Elétrica

Alimentos Química/calor, cinética

Fotossíntese Óptica/ Química

1a Lei da Termodinâmica

Unidades de energia

• A unidade SI para energia é o joule, J.

• Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule:

1 cal = 4,184 J (exatos)

1 cal é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1oC.



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

componentes de um sistema.• Em uma reação química por exemplo, a energia interna inclui os deslocamentos das

moléculas pelo espaço, suas rotações e vibrações internas, energia do núcleo de cada átomo e dos elétrons, etc.

• Não se pode medir a energia interna absoluta.

• Em função disso, busca-se determinar a variação da energia interna E = Ef - Ei

A primeira lei da termodinâmica



20Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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

Convenção de sinais




Exercício:

Os gases hidrogênio e oxigênio, confinados em um cilindro fechado com um êmbolo móvel, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o sistema perde 1.150 J de calor para a vizinhança.A reação faz também com que o êmbolo suba à medida que os gases quentes se expandem. O gás em expansão realiza 480 J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual é a mudança na energia interna do sistema?

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

como o atual sistema foi atingido.

E = Ef- Ei



Funções de estado


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

pistão, realizando, assim, trabalho.Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)

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

Entalpia


Entalpia


Processos endotérmicos e exotérmicos• Endotérmico: absorve calor da vizinhança.• Exotérmico: transfere calor para a vizinhança. (∆H <0, NEGATIVO)• Uma reação endotérmica mostra-se fria.• Uma reação exotérmica mostra-se quente.

Entalpia


http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=681&TERMITA#top

2 Al (s) + Fe2O3 (s) → Al2O3

(s) + 2 Fe (s)

• Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado sob pressão constante.

• Entalpia é uma função de estado.

Entalpia


• Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança - ENDOTÉRMICO• Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança - EXOTÉRMICO

H = E + PVE = qv

H = qp

Entalpia


Exercício: Calcule o trabalho realizado por 50g de ferro que reage com ácido clorídrico em:(a) Um recipiente fechado de volume fixo;(b) Em um becker a 25oC.

Entalpia


A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do H é diretamente proporcional à quantidade):

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

2CH4(g) + 4O2(g) 2CO2(g) + 4H2O(l) Hr = 1780 kJ

Entalpias de reação


• Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do H:CO2(g) + 2H2O(l) CH4(g) + 2O2(g) H r= +890 kJ

• A variação na entalpia depende do estado:H2O(g) H2O(l) H = -44 kJ

A variação da entalpia de uma reação química é dada por:

Hr = Hf(produtos) - Hf (reagentes)

Equaçõ

es term

oquímica

s

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

• Por exemplo:CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ

2H2O(g) 2H2O(l) H = -88 kJ

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

Lei de Hess


Lei de Hess


3) Determine o calor de formação do NaCl(s) a partir das reações abaixo:

A)Na(s) + H2O(l) → NaOH(s) + ½ H2 (g) ∆H = -139,78 kJ/mol½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/molHCl(g) + NaOH(s) → NaCl(s) + H2O(l) ∆H = - 179,06kJ/mol

B)½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/molNa(s) + HCl(g) → NaCl(s) + ½ H2 (g) ∆H = - 318,84kJ/mol

Observe que a entalpia da reação independe do caminho, portanto entalpia é função de Estado!


4) Quais são os possíveis caminhos químicos para gerar CO2 e água a partir de metano? Qual o valor de H final?

Lei de Hess

Observe que: H1 = H2 + H3

Lei de Hess



Lei de Hess

Exercício: A entalpia de combustão de C em CO2 é -393,5 kJ/mol de C, e a entalpia de combustão de CO em CO2 é -283 kJ/mol de CO. Utilizando estes dados, calcule a entalpia de combustão de C para CO:

(1) C(s) + O2(g) CO2(g) H= -393,5 kJ

(2) CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H = -283,0 kJ

carvão

H2O(g)

Quando a queima do carbono não é total, gera-se intermediários como o CO(g):C(s) + ½O2(g) CO(g) H = ?????


Composição geral de diferentes tipos de carvão

Lei de Hess


Exercício:Os hidrocarbonetos gasosos eteno (C2H4) e etano (C2H6) são produtos do craqueamento do petróleo. As variações de entalpia-padrão a 298 K para as reações da grafita e hidrogênio gasoso formando 1 mol de cada um desses compostos são =52,5 kJ/mol e -83,8 kJ/mol, respectivamente.

Calcule a variação de entalpia-padrão para a hidrogenação do eteno em etano, a 298 K.

Lei de Hess

Entalpias de formação


A equação que representa a formação de uma substância na condição padrão é obtida por meio de seus elementos constituintes (substâncias simples) na forma mais estável a 298,15 K e 1 atm.

6C(gr) + 6H2(g) + 3O2(g) C6H12O6(s) Hfo = -1.273 kJ/mol

H reagentes H produtos Hfo = Ho

fprodutos-Hofreagentes

• Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado.

• A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zero.Exemplo de estados mais estáveis: Cl2 (g); Br2(l); O2 (g); N2 (g); H2(g); Fe(s)

Hro = Ho

fprodutos-Hofreagentes



• Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada entalpia de formação, Ho

f .

• Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). • A entalpia padrão, Ho, é a entalpia medida quando tudo está em seu estado padrão.• Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em

seus estados padrão.

• Pode-se determinar Ho fusão, Ho

diss, Ho reação, Ho

f,



1) Escreva as equações de formação dos compostos abaixo partindo dos respectivos elementos no seu estado mais estável:

a) H2O(l)b) Fe2O3(s)c) HBr(g)d) NH4Cl(s)

2) Calcule a entalpia da reação química abaixo:Fe2O3 + 3H2(g) → 2Fe(s) + 3H2O(l) Dado ∆Ho

f Fe2O3 = -824,2 kJ/mol

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