Termoquímica

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Termoquímica

  1. 1. TermoquímicaEstudo Geral dos Equilíbrios Térmicos Professor Costa Freire
  2. 2. Termoquímica Absorção de calor Sublimação Fusão Vaporização SÓLIDO LÍQUIDO GÁS Solidificação Condensação Liberação de calorDefinição:“Termoquímica é o estudo das quantidades de calorliberadas ou absorvidas durante reações químicas.”
  3. 3. Termoquímica Classificação das reações químicasO fornecimento ou a liberação de calor (energia) é atransformação física que, quase sempre, acompanha asreações químicas.Para a termoquímica, as reações químicas se classificamem: ✔ Reações exotérmicas; e ✔ Reações endotérmicas.
  4. 4. Termoquímica Calorimetria“É o estudo e a medição das quantidades de calor liberadasou absorvidas durante os fenômenos físicos e/ou químicos.” Quantidade de calor é diferente de temperatura. A temperatura de um corpo é função da agitação (velocidades de translação, de vibração e de rotação) de suas partículas. A quantidade de calor é função da temperatura e da massa total do sistema que contém o corpo.Definição:“Caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de14,5ºC para 15,5ºC a temperatura de 1g de água.”
  5. 5. Termoquímica Unidades de quantidade de calor: 1 kcal = 1.000 cal 1 cal = 4,18 .107 erg = 4,18 j 1 kj = 1.000 jDefinições:Calorímetro é um aparelho usado para medir a quantidadede calor liberado ou absorvido em uma reação química outransformação física.“Calor específico é a quantidade de calor necessária paraelevar de 1ºC a temperatura de 1g da substância.”
  6. 6. TermoquímicaUso do calorímetro de água: ✔Provoca-se uma reação química ou transformação física dentro da água; ✔Mede-se a elevação da temperatura da água; ✔Calcula-se a quantidade de calor liberada pela reação química ou transformação física.Observação:A quantidade de calor cedida (Qc) pela reação ou pelo corpo é igual àquantidade de calor recebida (Qr) pela água.A quantidade de calor (Qr) de um corpo depende de sua massa (m), do seucalor específico (c) e da variação de temperatura (Δθ) ao qual é submetido: Qr = mc . Δθ
  7. 7. TermoquímicaDefinição:Bomba Calorimétrica é um aparelho usado para medir ocalor de combustão de substâncias. Observação: Como a bomba calorimétrica é um aparelho hermeticamente fechado e de volume constante, costuma-se denominar calor a volume constante (Qv) à quantidade de calor aí medida.
  8. 8. Termoquímica Energia internaExistem dois tipos de energia:✔ Energia cinética (associada ao movimento); e✔ Energia potencial (armazenada para produzir algum trabalho). Hipóteses a serem consideradas numa reação química: 1ª hipótese – quando a energia interna total dos reagentes (energia inicial) for maior do que a energia interna total dos produtos formados (energia final), a reação irá liberar energia (reação exotérmica); 2ª hipótese – quando a energia interna total dos reagentes (energia inicial) for menor do que a dos produtos formados (energia final), a reação irá absorver a energia que falta (reação endotérmica).
  9. 9. TermoquímicaDefinições: Primeiro princípio da Termodinâmica (lei da conservação de energia)“A energia total após a reação é igual à energia total antesda reação.”“A energia não pode ser criada nem destruída, apenastransformada.”“E um sistema isolado, a quantidade total de energia éconstante.
  10. 10. TermoquímicaDefinições:Entalpia (H) ou conteúdo de calor é a grandeza que medeo conteúdo energético das substâncias.“Se a pressão e temperatura forem constantes nos estadosinicial e final da reação, a variação da entalpia será amedida da quantidade de calor liberada ou absorvida pelareação. Variação de energia: Reação exotérmica ΔH = Hprod. – Hreag. < 0 Reação endotémica ΔH = Hprod. – Hreag. > 0 Os diagramas de entalpia são conhecidos como diagramas de energia.
  11. 11. TermoquímicaConsideremos a reação da queima de carvão a céu aberto: 2C(s) + O2(g) 2CO(g)O aumento de volume gerado pelos gases da reação gera um trabalho deexpansão que é obtido pela seguinte fórmula: ζ = P . ΔVConsiderando-se a equação de Clapeyron PV = nRT, obtém-se a seguinteequação: ζ = (Δn)RT
  12. 12. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Quantidades de reagentes e de produtos: 2H2(g) + O2(g) 2H2O(v) ΔH = -485,8 kj Há liberação de 485,8 kj quando 2 mols de H2 reagem com 1 mol de O2, produzindo 2 mols de H2O. Quando a reação acima é dividida por 2, temos: 1 H2(g) + O H2O(v) ΔH = -242,9 kj 2 2(g)
  13. 13. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Estado físico dos reagentes e dos produtos: 1 I H2(g) + O H2O(v) (vapor) ΔH1 = -242,9 kj/mol 2 2(g) 1 II H2(g) + O H2O(v) (líquido) ΔH2 = -286,6 kj/mol 2 2(g) 1 III H2(g) + O H2O(v) (sólido) ΔH3 = -292,6 kj/mol 2 2(g) Estados físicos Variações de diferentes entalpia diferentes GÁS GÁS LÍQUIDO LÍQUIDO SÓLIDO SÓLIDO (vapor de água) (vapor de água) (água líquida) (água líquida) (gelo) (gelo) Diminui a agitação (energia) das moléculas de água Aumenta o saldo de energia (ΔH) liberada no final da reação
  14. 14. Termoquímica Entalpia (kJ/mol) 1 H2(g) + O 2 2(g) 0 ΔH1 ΔH2 ΔH3 H2O(v) -242,9 ΔHvap. = +43,7 kj/mol H2O(l) -286,6 ΔHfusão = +6,0 kj/mol H2O(s) -292,6 Caminho da transformaçãoVerifica-se experimentalmente que o calor latente de vaporização da água é 2,43 kj/g, logo, 1 mol de H2O absorve 43,7 kj paraevaporar. Esse valor é chamado de entalpia molar de vaporização da água.
  15. 15. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Estado alotrópico: C(grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH1 = -393,1 kj/mol C(diamante) + O2(g) CO2(g) ΔH2 = -395,0 kj/mol Estados alotrópicos Variações de diferentes entalpia diferentes
  16. 16. TermoquímicaEntalpia (kJ/mol) C(diamante) + O2(g) ΔH = -1,9 kj/mol C(grafite) + O2(g) ΔH1 ΔH2 CO2(g) Caminho da transformação C(diamante) C(grafite) ΔH = -1,9 kj/mol (exotérmica) C(grafite) C(diamante) ΔH = +1,9 kj/mol (endotérmica)
  17. 17. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Dissolução/diluição: Há dissoluções exotérmicas e endotérmicas. A quantidade total de calor liberado ou absorvido tende a um certo limite. Essa quantidade máxima de calor é denominada entalpia (ou calor) de diluição total (ou infinita) da substância. Água H2SO4(l) + aq H2SO4(aq) ΔH = -84,4 kj/mol Água CaCl2(s) + aq CaCl2(aq) ΔH = -82,7 kj/mol Água NH4NO3(s)+ aq NH4NO3(aq) ΔH = +26,3 kj/mol
  18. 18. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Temperatura na qual se efetua a reação química: H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ΔH = -183,9 kj/mol (a 15ºC) H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ΔH = -184,1 kj/mol (a 75ºC) 15ºC 75ºC Entalpia H2(g) + Cl2(g) H2(g) + Cl2(g) ΔH3 ΔH2 2HCl(g) ΔH1 2HCl(g) ΔH4 Caminho da transformação
  19. 19. Termoquímica Fatores que influem as entalpias das reações✔ Pressão Há influência perceptível somente em pressões elevadíssimas, da ordem de 1.000 atm. Abaixo disso, praticamente não é perceptível a influência nos calores de reações envolvendo sólidos, líquidos ou mesmo gases.
  20. 20. Termoquímica Equação termoquímicaDefinição:“Equação termoquímica é a equação química à qualacrescentamos a entalpia da reação e na qualmencionamos todos os fatores que possam influir novalor dessa entalpia.” 1 H2(g) + O H2O(l) ΔH = - 286,6 kj/mol (25ºC; 1 atm) 2 2(g) C(diamante) + O2(g) CO2(g) ΔH = - 395,0 kj/mol (25ºC; 1 atm) 1 1 Água H + Cl HCl(aq) ΔH = - 167,2 kj/mol (25ºC; 1 atm) 2 2(g) 2 2(g) H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ΔH = - 184,1 kj/mol (75ºC; 1 atm)
  21. 21. TermoquímicaEstado padrão dos elementos e dos compostos químicosEntalpia (ou calor) padrão de formação de uma substânciaEntalpia (ou calor) de combustão de uma substânciaEntalpia (ou calor) de neutralizaçãoEnergia de ligaçãoGeneralizaçõesExercícios
  22. 22. Termoquímica Lei de Hess“A variação de entalpia (quantidade de calor liberada ouabsorvida) em uma reação química depende apenas dosestados inicial e final da reação.” C(grafite) + O2(g) C(grafite) + O2(g) Primeiro caminho CO2(g) CO2(g) (estado inicial) (estado inicial) ΔH (estado final) (estado final) Segundo caminho CO(g) + 1 O2(g) CO(g) + 2 O2(g) Segundo caminho ΔH1 (estado intermediário) ΔH2 (estado intermediário)A esses dois caminhos correspondem dois valores experimentais, para as variaçõesde entalpia, supondo pressão e temperatura constantes.
  23. 23. Termoquímica C(grafite) + O2(g) C(grafite) + O2(g) Primeiro caminho CO2(g) CO2(g) (estado inicial) (estado inicial) ΔH (estado final) (estado final) Segundo caminho CO(g) + 1 O2(g) CO(g) + 2 O2(g) Segundo caminho ΔH1 (estado intermediário) ΔH2 (estado intermediário)Primeiro caminho: C (grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = -393,3 kj 1Segundo caminho: C (grafite) + 2 O2(g) CO(g) ΔH1 = -110,3 kj 1 CO(g) + 2 O2(g) CO2(g) ΔH2 = -283,0 kjSomando: ΔH1 + ΔH2 = -110,3 + (-283,0) = -393,3Portanto: ΔH = ΔH1 + ΔH2
  24. 24. Termoquímica Conclusão“Partindo-se sempre de um mesmo estado inicial echegando-se sempre a um mesmo estado final, o ΔH serásempre o mesmo, quer a reação seja direta, quer ela seefetue em várias etapas.”O ΔH independe do caminho percorrido durante a reação. Cada estado tem umaentalpia ou conteúdo de calor (H) fixo e bem definido: ● no estado inicial: H inicial tem valor fixo; ● no estado final: H final também tem valor fixo.A entalpia é função de estado, ou seja, o valor de ΔH é fixo e bem definido, nãodependendo dos estados intermediários. Por isso, a lei de Hess é também conhecidacomo a lei dos estados inicial e final.
  25. 25. Termoquímica Consequências da lei de Hess1ª As equações termoquímicas podem ser somadas comose fossem equações matemáticas, daí a lei de Hess sertambém chamada de lei da soma dos calores de reação. 1C (grafite) + O CO(g) ΔH1 = -110,3 kj 2 2(g) 1CO(g) + O 2 2(g) CO2(g) ΔH2 = -283,0 kjC (grafite) + O2(g) CO2(g) ΔH = -110,3 – 283,0 ⇒ ΔH = –393,3 kj
  26. 26. Termoquímica Consequências da lei de Hess2ª Invertendo uma equação termoquímica, devemos trocaro sinal de ΔH.C (grafite) + O2(g) CO(g) ΔH = –393,3 kjCO2(g) C (grafite) + O2(g) ΔH = +393,3 kj Zero (substancias) Zero (quantidade de calor)Isso representa a conservação de energia entre os estados inicial e final.
  27. 27. Termoquímica Consequências da lei de Hess3ª Multiplicando (ou dividindo) uma equação termoquímicapor um número diferente de zero, o valor de ΔH serátambém multiplicado (ou dividido) por esse número.C (grafite) + O2(g) CO(g) ΔH = –393,3 kjC (grafite) + O2(g) CO(g) ΔH = –393,3 kj2C (grafite) + 2O2(g) 2CO(g) ΔH = –786,6 kjAs equações termoquímicas podem sofrer tratamentos matemáticos desde que essestratamentos sejam feitos também com os valores de ΔH.

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